Funktionsprinzip
Ein Transformator überträgt elektrische Energie zwischen zwei Stromkreisen über ein gemeinsames Magnetfeld, ohne elektrische Verbindung zwischen ihnen. Wechselstrom in der Primärwicklung baut im geblechten Eisenkern einen Wechselfluss auf; dieser Fluss durchsetzt die Sekundärwicklung und induziert dort nach dem Faradayschen Gesetz eine Spannung. Da der Vorgang einen sich ändernden Fluss voraussetzt, arbeitet ein Transformator nur mit Wechselstrom — an Gleichspannung ist die Primärwicklung schlicht ein niederohmiger Kurzschluss.
Übersetzungsverhältnis und Impedanz
Die Spannung wird im Verhältnis der Windungszahlen übersetzt, der Strom umgekehrt proportional, sodass ein idealer Transformator weder Leistung erzeugt noch vernichtet. Ein 10:1-Abwärtstransformator liefert ein Zehntel der Spannung und kann den zehnfachen Strom bereitstellen. Die Impedanz wird mit dem Quadrat des Übersetzungsverhältnisses transformiert — deshalb dienen Transformatoren in Audio- und Hochfrequenzschaltungen auch der Impedanzanpassung und nicht nur der Spannungsänderung.
Verluste und Wirkungsgrad
Reale Transformatoren verlieren an zwei Stellen Energie. Die Kupferverluste sind die ohmschen Verluste der Wicklungen und wachsen mit dem Quadrat des Laststroms. Die Eisenverluste — Hysterese und Wirbelströme im Kern — hängen von Fluss und Frequenz ab und sind praktisch konstant, solange der Transformator am Netz liegt; deshalb wird kornorientiertes, geblechtes Elektroblech verwendet. Der Wirkungsgrad ist dort maximal, wo beide gleich groß sind, und erreicht typisch 95 bis 99 %.
Einsatzgebiete
Transformatoren machen das Wechselstromnetz erst möglich: Erzeugung in Mittelspannung, Übertragung bei Hunderten Kilovolt, um Leiterstrom und Verluste klein zu halten, dann schrittweises Heruntertransformieren für Verteilung und Haushalt. Kleinere Einphasentransformatoren finden sich in Netzteilen, Trenn- und Sicherheitsanwendungen, Schweißgeräten, Klingelanlagen und Audiotechnik. Trenntransformatoren mit 1:1-Verhältnis ändern die Spannung gar nicht — ihr ganzer Zweck sind Sicherheit und Störtrennung.